測試與傳感技術 信號變換及調理

信號變換及調理主要內容：變換及調理的目的1電橋2調制解調3濾波器42024/3/61一、信號調理的目的目的：便于信號的傳輸與處理原因：1.傳感器輸出的電信號很微弱，大多數(shù)不能直接輸送到顯示、記錄或分析儀器中去，需要進一步放大，有的還要進行阻抗變換。

2024/3/622.有些傳感器輸出的是電信號中混雜有干擾噪聲，需要去掉噪聲，提高信噪比。3.某些場合，為便于信號的遠距離傳輸，需要對傳感器測量信進行調制解調處理。

2024/3/63二、電橋

電橋a

、c兩端接電源Ui，稱供橋端；b、d兩端接輸出電壓Uo，稱輸出端。將電阻R(應變片)、電感L、電容C等電參數(shù)變?yōu)殡妷害或電流ΔI信號后輸出的一種測量電路。

2024/3/64電橋根據(jù)橋臂阻抗性質的不同為:電阻電橋電容電橋電感電橋根據(jù)供橋電源分為:直流電橋:采用直流電源——只用于測量電阻R的變化交流電橋：采用交流電源——測量電阻R

、電容C

、電感L的變化1.電橋的分類2024/3/652.直流電橋四個橋臂由電阻R1、R2、R3和R4組成。采用直流電源的電橋稱為直流電橋直流電橋VR1R2R3R4溫敏電阻平衡條件R1·R3=R2·R4

電橋的輸出：平衡的條件：推導2024/3/66直流電橋R1＋ΔR

U0＋ΔUΔUR1VR2R3R4R1·R3=R2·R4

平衡的條件：電橋的輸出：這時，電橋平衡嗎？＋ΔR2024/3/67為了簡化設計，R2=R3=R4=R0

，而

R1=R0+ΔR直流電橋R0＋ΔR

U0＋ΔUΔU電橋的靈敏度定義為2024/3/68單臂半橋R1R3R2R4

雙臂半橋R1R3R2R4

全橋R1R3R2R4

半橋、單臂輸出全橋、四臂輸出半橋、雙臂輸出統(tǒng)一表示：2024/3/69電橋測量的誤差非線性誤差溫度誤差直流電源的電壓穩(wěn)定性造成的誤差半橋、單臂輸出：半橋、雙臂輸出：全橋、四臂輸出：直流電橋2024/3/610平衡條件3.交流電橋交流電橋而其中，Z1、Z2、Z3、Z4為阻抗的模，而φ1、φ2、φ3、φ4為阻抗角，是各橋臂電流與電壓之間的相位差。Z1Z3ej(φ1+φ3)=Z2Z4ej(φ2+φ4)

(*)平衡條件2024/3/611電容電橋電容電橋平衡條件：電感電橋電感電橋平衡條件：推導推導2024/3/612聲音信號廣播電臺的發(fā)射塔接收調制Modulation解調Demodulation三、調制與解調2024/3/613聲音信號廣播電臺的發(fā)射塔

利用緩變信號控制高頻信號的某個參數(shù)(幅值、頻率或相位)變化的過程。調制Modulation已調波1）實現(xiàn)緩變信號的傳輸，特別是遠距離傳輸

2）提高信號傳輸中的抗干擾能力和信噪比

調制的目的→音頻信號2024/3/614載波信號：高頻振蕩信號稱為載波信號。載波信號調制信號：緩變信號稱為調制信號。

已調波：載波被緩變信號調制后稱為已調波。

解調：從已調波中恢復出調制信號的過程。調制信號x(t)2024/3/6151.調制的種類調制信號載波信號a)幅值調制(簡稱調幅，AM，AmplitudeModulation)b)頻率調制(簡稱調頻，F(xiàn)M，F(xiàn)requencyModulation)c)相位調制(簡稱調相，PM，PhaseModulation)緩變信號x(t)高頻簡諧信號2024/3/6162.幅值調制（調幅）及其解調

調幅是將一個高頻簡諧信號y(t)（載波信號）與緩變信號（調制信號）x(t)相乘，使載波信號y(t)的幅值隨緩變信號x(t)的幅值變化而變化過程。幅值調制后的信號稱為調幅波。高頻信號緩變信號調制后信號2024/3/617調制信號載波信號調幅波(1).調幅的時域表達2024/3/618假設調制信號x(t)的最高頻率成分為，載波信號(2).調幅的頻域表達如果則，則有調幅波：2024/3/619調制信號載波信號調幅波?時域頻域2024/3/620為保證頻移后的頻譜不失真，載波頻率fz

要大于或等于兩倍調制信號的最高頻率fm

，通常取數(shù)倍至數(shù)十倍的fm

。調幅過程就相當于頻率“搬移”過程。2024/3/621(3).電阻交流電橋的幅值調制不同接法的電橋可表示為當ΔR/R0=R(t)，Ui=E0cos2πf0t時U0=KR(t)E0cos2πf0t交流電橋的輸出電壓U0隨R(t)的變化而變化，即U0的幅值受R(t)的控制，其頻率為輸入電壓信號Ui的頻率，即f0

全橋、四臂輸出R(t)E0cos2πf0t

交流電橋是一個調幅器。調幅器實際上是一個乘法器.2024/3/622廣播電臺的發(fā)射塔對已調波進行鑒別以恢復緩變信號的過程。調幅波解調方法：同步解調，

整流檢波

相敏檢波(4).幅值解調接收解調Demodulation2024/3/623同步解調

“同步”指解調時所乘的信號與調制時的載波信號具有相同的頻率和相位。2024/3/624同步解調(a)調幅波頻譜(b)載波信號頻譜(c)同步解調后頻譜(d)調制信號頻譜2024/3/625幅度調制與解調過程（波形與頻譜分析）乘法器放大器x(t)z(t)xm(t)乘法器濾波器z(t)x(t)2024/3/626幅度調制與解調過程（數(shù)學描述）乘法器放大器x(t)z(t)xm(t)乘法器濾波器z(t)x(t)2024/3/627若把調制信號x(t)進行偏置，疊加一個直流分量D，使偏置后的信號都具有正電壓。整流檢波解調

調制信號+直流分量A->整流->低通濾波->去直流分量->復現(xiàn)原調制信號2024/3/628x(t)>0時(0~t1)，ym(t)與y(t)同相，檢波器輸出uf(t)>0x(t)<0時(t1~t2)，ym(t)與y(t)反相，檢波器輸出uf(t)<01122相敏檢波解調推導相敏檢波器33t1t1132213t1t2t2t2相敏檢波器是一種能根據(jù)調幅波和載波的相位差來判別調制信號極性的解調器2024/3/629

調幅波的波形失真

a）過調失真：對于非抑制調幅，要求其直流偏置必須足夠大，否則x(t)的相位將發(fā)生180。b)重疊失真：調幅波是由一對每邊為fm的雙邊帶信號組成．當載波頻率fz較低時，正頻端的下邊帶將與負頻端的下邊帶相重疊．要求:

fz＞fm

2024/3/630例：動態(tài)應變儀2024/3/6313.頻率調制與解調調頻是利用信號x(t)的幅值調制載波的頻率，或者說，調頻波是一種隨信號x(t)的電壓幅值而變化的疏密度不同的等幅波.x(t)Acos(2πf0t+Φ)調頻波：疏密不同的等幅波。2024/3/632諧振電路電抗到電壓的轉化諧振電路把電容、電感等電參量的變化轉為電壓變化的電路高頻振蕩器諧振電路的頻率：諧振電路作調頻器調頻及解調電路2024/3/633頻率的解調

諧振電路調頻波的解調一般使用鑒頻器

調頻波－>調頻調幅波－>幅值檢波頻率－電壓特性曲線2024/3/634脈沖計數(shù)鑒頻

調頻播瞬時頻率的變化，直接表現(xiàn)為調頻信號通過零值的點的疏密變化。ty(t)tg(t)通過脈沖計數(shù)，根據(jù)單位時間內脈沖的個數(shù)，可恢復出原來的信號。2024/3/635優(yōu)點：抗干擾能力強。

調頻波通常要求很寬的頻帶，甚至為調幅所要求帶寬的20倍；調頻系統(tǒng)較之調幅系統(tǒng)復雜，因為頻率調制是一種非線性調制。

因為調頻信號所攜帶的信息包含在頻率變化之中，并非振幅之中，而干擾波的干擾作用則主要表現(xiàn)在振幅之中．

缺點：占頻帶寬度大，復雜2024/3/636(a)低通濾波器(Lowpassfilter)(b)高通濾波器(Highpassfilter)(c)帶通濾波器(bandpassfilter)

(d)帶阻濾波器(bandstopfilter)

四、濾波器

濾波器是一種選頻裝置，可以使信號中特定頻率成分通過，而極大地衰減其他頻率成分．1.濾波器分類(根據(jù)濾波器的選頻作用分)

?2稱為低通濾波器的上截止頻率

?1、?2分別稱為帶通濾波器的下、上截止頻率

通帶通帶通帶通帶通帶阻帶阻帶阻帶阻帶阻帶理想濾波器?1稱為高通濾波器的下截止頻率

2024/3/637通帶：能通過濾波器的頻率范圍；阻帶：被抑制或極大地衰減的頻率范圍；截止頻率：通帶和阻帶之間的交界點；通帶阻帶2024/3/638

濾波器的串/并聯(lián)

低通濾波器和高通濾波器是濾波器的兩種最基本的形式，其它的濾波器都可以分解為這兩種類型的濾波器。2024/3/639(c)帶通濾波器(bandpassfilter)

(d)帶阻濾波器(bandstopfilter)

通帶通帶阻帶通帶阻帶阻帶理想濾波器是指能使通帶內信號的幅值和相位都不失真，阻帶內的頻率成分都衰減為零的濾波器。2.理想濾波器H(2π?)=A(2π?)ejφ(2π?)A(2π?)=A0=constφ(2π?)=-2π?t0

2024/3/640物理不可實現(xiàn)

理想濾波器在時域內的脈沖響應函數(shù)h(t)為sinc函數(shù)。脈沖響應的波形沿橫坐標左、右無限延伸。給理想濾波器一個脈沖激勵，從圖中可以看出，在t=0時刻單位脈沖輸入濾波器之前，即在t＜0時，濾波器就已經有響應了。h(t)δ(t)2024/3/641-3dB在實際濾波器的幅頻特性圖中通帶和阻帶間應沒有嚴格的界限，存在一個過渡帶。3.實際濾波器

過渡帶：從截止頻率到A(f)趨近于零的頻段。理想濾波器與實際濾波器的主要區(qū)別：通帶內的平直程度；過渡帶的陡直程度；2024/3/642-3dB實際濾波器的主要特性參數(shù)

1)截止頻率:幅頻特性值等于所對應的頻率,也叫-3dB頻率。

2)帶寬B：上下兩截頻間的頻率范圍稱為帶寬

3)紋波幅度d：波動幅度d與幅頻特性平均值A0相比應小于-3dB。

恒帶寬濾波器B=fc2-fc1恒帶寬比濾波器B=fc1（2n-1)2024/3/6435)

品質因數(shù)Q:中心頻率和帶寬之比稱為品質因數(shù)4)中心頻率f0:指上下截止頻率的幾何平均值,即2024/3/644倍頻程選擇性

利用頻率變化一個倍頻程時，過渡帶幅頻特性的衰減量來衡量濾波器選擇性的指標，以dB為單位。倍頻程選擇總是小于0，其值越小，濾波器的過渡特性越好。濾波器因數(shù)(或矩形系數(shù))λ

利用濾波器幅頻特性的-60dB帶寬與-30dB帶寬的比值來衡量濾波器選擇性，即：λ總是大于等于1，其值越接近1，濾波器的過渡特性越好。2024/3/6454.RC無源濾波器

在測試系統(tǒng)中，常用RC濾波器。因為這一領域中信號頻率相對來說不高。而RC濾波器電路簡單，抗干擾強，有較好的低頻性能，并且選用標準阻容元件。2024/3/6461)一階RC低通濾波器

令τ=RC，稱為時間常數(shù)傅立葉變換，頻響函數(shù)：當??1/2πRC時，φ(?)-?相頻特性近似于一條通過原點的直線當?=1/2πRC時，，

?c2=1/2πRC上截止頻率:|H(jω)|=A(?)≈1，A(?)=1/2024/3/647令RC=τ代入，作傅立葉變換，得頻響函數(shù)當?=1/2πτ，即

?=1/2πRC時，

當??1/2πRC時，下截止頻率：?c1=1/2πRC

A(?)=1/A(?)≈1，φ(?)=02)一階RC高通濾波器2024/3/6483)一階RC帶通濾波器

可以看成是低通和高通兩個濾波器串聯(lián)而成。2024/3/649高通低通頻響函數(shù)幅頻特性和相頻特性?c2=1/2πτ2=1/2πR2C2上截止頻率:下截止頻率：?c1=1/2πτ1=1/2πR1C1

一階RC帶通濾波器2024/3/650

一階濾波器通帶外衰減率為-20dB/10倍頻程，因此在過渡區(qū)衰減緩慢，選擇性不佳。把無源RC濾波器串聯(lián)，雖然也可以提高階次，但受級間耦合的影響，效果是互相削弱的，且信號的幅值也逐級減弱。為了克服這些缺點，常采用有源濾波器。

有源濾波器由RC調諧網(wǎng)絡和運算放大器組成。運算放大器既可起級間隔離作用，又可起信號幅值的放大作用。RC網(wǎng)絡則通常作為運算放大器的負反饋網(wǎng)絡。5、RC有源濾波器2024/3/651

有源濾波器由RC調諧網(wǎng)絡和運算放大器（有源器件）組成。運算放大器既可起級間隔離